,,

(1.云南省建筑科學(xué)研究院， 昆明 650223；2.云南建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)站有限公司，昆明 650223)

鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土形成共同承受外荷載作用的一種組合結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，即混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，增強(qiáng)了混凝土抗壓強(qiáng)度，同時(shí)混凝土的存在提高了鋼管的剛度，從而大大提高了結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)固性。對新建的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土密實(shí)度是影響結(jié)構(gòu)受力、安全評估的主要因素，必須依據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行鋼管混凝土柱密實(shí)度檢測，為工程實(shí)體質(zhì)量提供真實(shí)有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

目前鋼管混凝土缺陷檢測方法主要有敲擊法、鉆芯法和超聲法，敲擊法雖操作便捷但僅能初步判斷結(jié)合面缺陷，一般作為輔助檢測方法使用；鉆芯法具有直觀、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，但對結(jié)構(gòu)損失大，檢測后還需進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù)而耗時(shí)耗力，一般在工程存在爭議時(shí)采用。超聲法檢測鋼管混凝土缺陷是現(xiàn)在發(fā)展趨勢較好的一種無損檢測方法，它可以提供內(nèi)部缺陷的相關(guān)數(shù)據(jù)，還能保證結(jié)構(gòu)自身的完整性，較為經(jīng)濟(jì)方便。CECS21:2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》雖對鋼管混凝土缺陷檢測作了相關(guān)規(guī)定，前人在該領(lǐng)域也做了大量研究，提供了許多有價(jià)值的成果，但對數(shù)據(jù)的分析和缺陷的判定較為籠統(tǒng)，而檢測中超聲數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對缺陷的分析至關(guān)重要，故筆者結(jié)合工程實(shí)例對超聲波檢測鋼管混凝土的缺陷分析和數(shù)據(jù)修正展開探討。

1 檢測原理

超聲應(yīng)用于鋼管混凝土缺陷檢測時(shí)，采用的是超聲透射波法，其檢測原理為：一端的發(fā)射探頭發(fā)射出的超聲波，經(jīng)鋼管混凝土通過多種路徑由另一端接收探頭接收；超聲波在傳播過程中遇到缺陷時(shí)，聲波會產(chǎn)生反射而衰減掉一部分能量，另一部分將繞過缺陷由另一端的接收探頭所接收，檢測時(shí)根據(jù)接收到的超聲波聲學(xué)參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)計(jì)算及異常值的判別，參考波形曲線首波、波幅頻率的變化趨勢，再結(jié)合敲擊法的結(jié)果對缺陷進(jìn)行判定[1]。超聲法檢測鋼管混凝土密實(shí)度常用的測試方法有對測法、斜側(cè)法、鉆孔測法，文中工程檢測采用對測法采集聲學(xué)參數(shù)，結(jié)合敲擊法結(jié)果進(jìn)行分析。常規(guī)鋼管混凝土對測法檢測示意如圖1所示，采用對測法時(shí)方鋼管混凝土中的聲波傳播路徑如圖2所示。圖1，2中T為發(fā)射探頭，R為接收探頭。

圖1 鋼管混凝土對測法檢測示意

圖2 對測法檢測方鋼管混凝土?xí)r的探頭布置及聲波傳播路徑示意圖

2 工程背景

鋼框架高層鋼混結(jié)構(gòu)，鋼柱為箱型柱，柱結(jié)構(gòu)形式僅端頭處有內(nèi)隔板，牛腿節(jié)點(diǎn)部位無橫向內(nèi)隔板(見圖3)，鋼柱內(nèi)灌注自密實(shí)混凝土，實(shí)際施工時(shí)分段完成澆筑，每段柱為一個(gè)澆筑批次，施工在澆筑前將振動棒插入柱子內(nèi)，邊澆筑邊振搗。在澆筑完成7 d內(nèi)進(jìn)行密實(shí)度檢測，以降低結(jié)合面脫空概率，檢測儀器使用ZBL～U510非金屬超聲儀(見圖4)。

圖3 現(xiàn)場柱結(jié)構(gòu)示意

圖4 ZBL～U510非金屬超聲儀

3 模擬對比試驗(yàn)

為區(qū)分有效波形和脫空現(xiàn)象的無效數(shù)據(jù)，進(jìn)行了鋼管混凝土無缺陷和脫空時(shí)的檢測對比試驗(yàn)，作為數(shù)據(jù)分析時(shí)的參照。試驗(yàn)將相同混凝土試塊置于兩塊同規(guī)格鋼板之間，一組用黃油將混凝土與鋼板接觸面耦合壓緊，使結(jié)合面黏結(jié)良好；另一組不用耦合劑處理結(jié)合面，以模擬脫空。然后分別對兩組試件進(jìn)行密實(shí)度檢測并采集數(shù)據(jù)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。

對比試驗(yàn)采集到的波形如圖6所示，可見：鋼管混凝土密實(shí)、無缺陷時(shí)采集的波形良好、首波清晰，波幅穩(wěn)定；而混凝土與鋼管壁結(jié)合面黏結(jié)不良時(shí)，存在超聲波斷路現(xiàn)象，波形雜亂，采集不到有效波形，即脫空現(xiàn)象。

圖5 對比試驗(yàn)現(xiàn)場

圖6 對比試驗(yàn)采集到的波形

4 檢測注意事項(xiàng)

(1) 利用超聲法進(jìn)行鋼管混凝土缺陷檢測前，首先應(yīng)了解混凝土澆筑工藝過程、鋼管柱結(jié)構(gòu)形式，這有助于檢測時(shí)合理布置測點(diǎn)及后續(xù)的缺陷分析。

(2) 通過敲擊法初步判斷存在脫空的位置，選擇鋼管與混凝土膠結(jié)良好的部位布置測點(diǎn)，若敲擊法有大面積的“空響”，則需進(jìn)行高壓注膠處理，同時(shí)應(yīng)確保鋼管外表面光潔、無嚴(yán)重銹蝕。

(3) 應(yīng)結(jié)合構(gòu)件尺寸和外觀質(zhì)量情況布置測點(diǎn)，一般按鋼管實(shí)際邊長在對測面用墨線畫出等間距的網(wǎng)格，間距宜為100～300 mm，將網(wǎng)格線交點(diǎn)作為測點(diǎn)并按順序編號(見圖7)，測點(diǎn)布設(shè)時(shí)應(yīng)避開焊縫、隔板位置。

圖7 現(xiàn)場準(zhǔn)備及檢測工作

(4) 檢測前，在各測點(diǎn)均勻涂抹黃油作為耦合劑，使接收、發(fā)射探頭與鋼管柱壁結(jié)合面耦合良好，耦合劑不宜過厚也不宜太少，能覆蓋探頭接觸面即可；檢測時(shí)要壓緊探頭，使超聲波能夠較好地傳播。

(5) 采集數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)使探頭垂直柱壁并在對測面保持同一水平位置，即將T/R探頭按布置好的網(wǎng)格線對稱置于相應(yīng)測點(diǎn)，使探頭接觸面圓心與網(wǎng)格線交點(diǎn)盡可能重合，再按測點(diǎn)編號逐點(diǎn)采集波形，采集數(shù)據(jù)時(shí)參照模擬對比試驗(yàn)區(qū)分有效波形與受到脫空影響的波形，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5 超聲法檢測鋼管混凝土常規(guī)缺陷特征

查閱相關(guān)研究資料，結(jié)合多項(xiàng)工程的鋼管混凝土密實(shí)度檢測實(shí)踐，總結(jié)了超聲法檢測鋼管混凝土的常規(guī)缺陷波形特征[2]，如表1所示。

表1 超聲法檢測鋼管混凝土的常規(guī)缺陷波形特征

6 檢測數(shù)據(jù)分析

采用超聲數(shù)據(jù)處理軟件，參照標(biāo)準(zhǔn)CECS21:2000要求對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析時(shí)應(yīng)注意超聲首波聲時(shí)的修正。鋼管與混凝土兩種介質(zhì)的聲阻抗存在較大差異，首波聲時(shí)修正的目的是將儀器檢測到的聲時(shí)修正為混凝土中的傳播聲時(shí)，排除不同壁厚傳播聲時(shí)的影響；超聲波穿過鋼管混凝土的路徑分為混凝土和鋼管兩部分(見圖2)，超聲儀接收到的信號包含兩部分聲時(shí)，超聲波在鋼管混凝土的傳播首波聲時(shí)，計(jì)算公式如下[3]

T=tc+2d/Cs

(1)

式中：T為超聲波在鋼管混凝土中的傳播首波聲時(shí)；tc為超聲波在混凝土中傳播的首波聲時(shí)；d為鋼管壁厚；Cs為超聲波在鋼管中透射傳播速度，一般取值為5 900 m·s-1。

則修正超聲在混凝土部分傳播的首波聲時(shí)tc=T-2d/Cs。

該工程鋼管壁厚(δ)規(guī)格對應(yīng)的首波修正分別為：δ=8 mm(修正聲時(shí)2.7 μs)，δ=10 mm(修正聲時(shí)3.4 μs)，δ=12 mm(修正聲時(shí)4.0 μs)，δ=14mm(修正聲時(shí)4.7 μs)，δ=16 mm(修正聲時(shí)5.4 μs)，δ=20 mm(修正聲時(shí)6.8 μs)。

如測點(diǎn)采集數(shù)據(jù)顯示測距200 mm，所測首波聲時(shí)為51.2 μs，鋼管壁厚為8 mm，修正聲時(shí)2d/Cs=2.7 μs，則超聲波在混凝土中傳播的首波聲時(shí)為tc=T-2d/Cs=48.5 μs，通過修正首波聲時(shí)可計(jì)算超聲波在混凝土中傳播的理論波速為(L-2d)/tc=3 794 m·s-1，其中L為探頭測距。該測點(diǎn)波形曲線首波清晰，波形表現(xiàn)為等間隔規(guī)則周期振動，波幅穩(wěn)定無畸變，可判定為良好混凝土波形。

通過超聲數(shù)據(jù)處理軟件對各構(gòu)件的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到聲速、波幅、頻率平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差(見圖8)，對顯示異常的曲線應(yīng)結(jié)合測點(diǎn)所在位置及現(xiàn)場錘擊法記錄的數(shù)據(jù)分析原因。鋼管混凝土密實(shí)無缺陷時(shí)，采集到的波形良好、首波清晰，波幅穩(wěn)定，如圖6(d)所示。而混凝土與鋼管壁結(jié)合面黏結(jié)不良時(shí)，聲時(shí)長，波速較低，波幅稀疏無規(guī)律，首波脈沖寬；當(dāng)脫空時(shí)會產(chǎn)生超聲波斷路現(xiàn)象，傳播介質(zhì)的聲阻抗由強(qiáng)到弱再到強(qiáng)，能量衰減較大，當(dāng)量級小于或相當(dāng)于環(huán)境干擾波使波形雜亂，無法采集到有效波形，如圖6(d)所示；鋼管混凝土內(nèi)部存在空洞缺陷時(shí)聲時(shí)偏大，波幅低，波形后半部分有規(guī)律，可依據(jù)附錄C的空洞尺寸估算方法對空洞缺陷進(jìn)行估算，因不同類型缺陷對波幅變化影響各異，分析時(shí)應(yīng)以首波聲時(shí)、聲速為主，波幅為輔[4]。

圖8 超聲數(shù)據(jù)處理軟件波形分析界面

通過對有效波形的分析，得出所測構(gòu)件的波速、波幅、頻率及相應(yīng)偏差，如表2所示。

表2 同測距不同壁厚所測聲速、波幅、頻率及修正聲速數(shù)據(jù)表

對相同測距不同壁厚的鋼管混凝土的首波聲時(shí)進(jìn)行修正，得出修正后超聲波在混凝土中的傳播速度為3 800～3 900 m·s-1的，所測首波聲速隨著壁厚遞增而呈遞增趨勢，數(shù)據(jù)顯示不同壁厚對超聲法檢測鋼管混凝土缺陷的精確性存在一定影響，通過首波聲時(shí)修正得出超聲波在混凝土中的傳播聲速，可一定程度上減小壁厚因素造成的誤差，提高對缺陷判定的精確性。

據(jù)研究表明，超聲波在密實(shí)混凝土中的傳播速度為3 600～4 800 m·s-1。將工程劃分為9個(gè)檢測批，每檢測批按5根構(gòu)件共45個(gè)構(gòu)件進(jìn)行檢測，所測鋼管混凝土超聲波有效首波波速均值在3 734～4 180 m·s-1間，修正聲時(shí)后混凝土中傳播波速均值在3 622～3 898 m·s-1間，均在有效范圍內(nèi)，且離散性小，測點(diǎn)有效波形首波清晰，波幅穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)混凝土不密實(shí)缺陷；在這批構(gòu)件的實(shí)際檢測中，對波形雜亂，采集的首波聲時(shí)較大、波速低測點(diǎn)或不能采集有效波形，無明顯首波區(qū)域的情況，按測點(diǎn)編號對照現(xiàn)場錘擊法的檢測結(jié)果記錄區(qū)域，發(fā)現(xiàn)局部存在鋼管壁與混凝土的脫空現(xiàn)象，主要分布在鋼柱與樓板面交接區(qū)域、后焊接節(jié)點(diǎn)區(qū)域、焊接端隔板區(qū)域(見圖9)，以上區(qū)域均存在局部受熱現(xiàn)象而導(dǎo)致管壁與混凝土脫黏；對脫黏位置應(yīng)采用鉆孔高壓注膠處理，然后進(jìn)行二次超聲檢測數(shù)據(jù)采集。

圖9 鋼管壁與混凝土的脫空分布區(qū)域

7 結(jié)語

在超聲法檢測鋼管混凝土密實(shí)度缺陷時(shí)，應(yīng)先了解構(gòu)件結(jié)構(gòu)和混凝土澆筑工藝過程，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)形式布設(shè)測點(diǎn)，在不了解密實(shí)與缺陷曲線參數(shù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行模擬對比試驗(yàn)，直觀地對比因膠結(jié)不良、脫空采集的參數(shù)，有助于實(shí)際檢測時(shí)對有效波的判定；其次脫空處理是檢測缺陷的關(guān)鍵，對脫空位置應(yīng)鉆孔高壓注入修補(bǔ)膠，使柱壁板與混凝土間耦合密實(shí)，確保采集到有效數(shù)據(jù)；對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)對首波聲時(shí)進(jìn)行修正，計(jì)算相應(yīng)波速并結(jié)合波形特征、波幅、頻率對缺陷進(jìn)行綜合判別，通過首波聲時(shí)修正可減小因管壁厚因素造成的誤差，提高對檢測缺陷判定的精確性。